Platformă de laborator Tehnologia Wi-Fi v6

1. Introducere teoretica

Wi-Fi este numele comercial pentru tehnologiile construite pe baza standardelor

de comunicaţie din familia IEEE 802.11 utilizate pentru realizarea de reţele locale de

comunicaţie fără fir la viteze echivalente cu cele ale reţelelor Ethernet. Suportul pentru

Wi-Fi este furnizat de diferite dispozitive hardware, şi de aproape toate sistemele de

operare moderne pentru calculatoarele personale, routere, telefoane mobile şi cele mai

avansate console de jocuri. Aceasta tehnologie wireless apartine Wi-Fi Alliance si isi

propune sa imbunatateasca interoperabilitatea dintre echipamentele wireless dintr-o retea

locala bazandu-se pe standardele IEEE 802.11.

Standardul IEEE 802.11 descrie protocoale de comunicaţie aflate la nivelurile

fizic şi legătură de date ale Modelului OSI. Aceasta înseamnă că implementările IEEE

802.11 trebuie să primească pachete de la protocoalele de la nivelul reţea (IP) şi să se

ocupe cu transmiterea lor, evitând eventualele coliziuni cu alte staţii care doresc să

transmită.

1.1. Avantajele și limitările tehnologiei

Wi-Fi ofera posibilitatea de a dezvolta retele fara a folosi cablu pentru conexiunea

intre dispozitive, reducand astfel costul efectiv al lucrarii si de asemenea, reteaua poate fi

extinsa cu costuri reduse si relativ rapid. Incaperile in care nu pot fi trase cabluri, asa

cum sunt cladirile istorice, sunt un spatiu potrivit pentru retele wireless.

Incepand din 2007 adaptoare de retea wireless sunt incluse in aproape toate

laptopurile moderne. Preturile pentru chipurile necesare pentru Wi-Fi continua sa scada.

Wi-Fi este raspandita din peste 250.000 de hotspot-uri publice si in zeci de

milioane de case, companii si universitati. WPA (Wi-Fi Protected Access) nu este usor de

patruns daca sunt folosite parole puternice, iar codarea din WPA2 nu are brese de

securitate cunoscute.

Tabelul 1. Tehnici de securitate in rețele 802.11

Tehnologia Wi-Fi

2

Noile protocoale – WMM – fac WiFi-ul mai potrivit pentru aplicatii cu latenta

sensibila precum sunt transmisiile de date si voce, luandu-se in calcul si mecanisme de

diminuare a consumului de energie (WMM Powe Save) pentru a imbunatatii eficienta

bateriei.

Spectrul si limitarile operationale nu sunt aceleasi in intreaga lume. In mare parte

din Europa sunt permise utilizare a inca 2 canale aditionale fata de cele din US (1-13 vs

1-11), Japonia intre 1 si 14. Apar probleme legate de caracterul confidential al datelor

trimise – ele pot fi interceptate cu relativa usurinta si, in plus, vizualizate, daca nu sunt

criptate.

Multe dintre acces point-urile wireless ce folosesc standardele 802.11b, 802.11g

802.11n vin cu setari initiale prin care se foloseste acelasi canal pentru comunicatie, ceea

ce conduce la congestie. Pentru a evita acest lucru, administratorul trebuie sa faca setarile

necesare printr-o intergata grafica.

Retele Wi-Fi au arie de acoperire limitata. Un router Wi-Fi normal ce foloseste

standardele 802.11b, 802.11g, cu o antena standard, are o arie de acoperire de circa 32 de

metri in spatiu inchis si 95 de metri in spatiu deschis.

Un numar excesiv de mare in aceeasi arie de acoperire, in special pentru aceleasi

canale sau pentru canale invecinate, poate impiedica accesul si poate produce interferente,

fiind cauzate de suprapunerea canalelor din spectrul standardului 802.11b/g, dar si de

scaderea raportului semnal zgomot – SNR – intre acces point-uri. In plus, alte

echipamente care utilizeaza banda de 2.4 GHz : cuptoare cu microunde, camere de

securitate, bluetooth, radio amator, emitatoare video, telefoane mobile, pot cauza multe

alte interferente. Solutia generala a celor care au aceste probleme sau aglomerari in retea,

este de a migra la echipamente Wi-Fi pe 5 GHz, cum e 802.11n, deoarece banda de 5 Ghz

este foare rar folosita si dispune de mai multe canale libere.

1.2. Formatul cadrului IEEE 802.11

Există mai multe tipuri de cadre transmise în cadrul IEEE 802.11: cadre de

confirmare, cadre RTS/CTS, cadre de date, cadre ce semnalează diverse erori, cadre de

autentificare, asociere sau reasociere cadre baliză, cadre de căutare şi răspuns la căutare.

Ele sunt identificate în primul rând după primii doi octeţi ai acestora, care formează

antetul de control al cadrului. Semnificaţia fiecărui bit din acest antet este explicată in

tabelul 2.

Fiecare cadru poate conţine maxim 2304 octeţi de date utile, dimensiunea minimă

a câmpului de date fiind de 2312 octeţi, pentru a face loc posibilului overhead al WEP.

Nu toate cadrele folosesc toate câmpurile.

Tehnologia Wi-Fi

3

Câmp Dimensiune

[biţi] Semnificaţie

Versiune 2 Specifică versiunea de MAC pe care o implementează acest cadru

Tip 2 Identifică tipul cadrului: poate lua trei valori: cadru de date, cadru

de control sau cadru de gestiune

Subtip 4 Identifică mai precis tipul de cadru. De exemplu, cadrele de control

pot fi RTS, CTS sau confirmări.

Către DS 1 Arată direcţia cadrului (dacă este de la staţie spre sistemul de

distribuţie)

De la DS 1 Invers decât bitul anterior

MF 1 Semnalează faptul că acesta este un cadru multifragment

Reîncercar

e 1 Semnalează faptul că acest cadru este retransmis după un eşec

Consum 1 Bit prin care staţia de bază pune receptorul în aşteptare sau îl

trezeşte din starea de aşteptare

Mai mult 1 Arată că transmiţătorul mai are cadre de trimis receptorului

WEP 1 Semnalizează criptarea prin metoda WEP

Ordine 1

Arată că acest cadru, împreună cu celelalte care au acest bit setat

trebuie să fie preluate în ordinea în care au fost transmise

Tabelul 2. Antetul unui cadru 802.11

1.3. Componentele retelei wireless

- Cu infrastructura

o BSS (basic service set): retea alcatuita dintr-un singur AP si clienti (STA –

stations). BSA este aria de acoperire a unui AP = microcelula/picocelula.

o ESS (extended service set): retea alcatuita din doua sau mai multe AP si clienti.

ESA este aria acoperita. Recomandarea este ca celulele sa se acopere 10-15%

pentru date, 15-20% pt voce pentru a permite roaming. Celulele trebuie setate pe

canale non-overlapping. Se configureaza un SSID comun ce evita reconfigurarea

clientului.

- IBSS (independent basic service set) sau retele ad-hoc: clienti fara AP, ce comunica

direct; trebuie sa se gaseasca intr-o arie de acoperire comunca. Aceasta topologie este

dificil de securizat.

Tehnologia Wi-Fi

4

- Wireless repeter – daca nu exista acces la wired LAN si trebuie marita acoperirea.

Este un AP ce nu este conectat in LAN. Necesita 50% acoperire cu AP conectat in

LAN. Throuhput redus la ~ 50%, foloseste acelasi canal cu AP root.

- Workgroup bridge – conecteaza wireless 1 echipament sau o retea la alt

echipament/retea.

Figura 1 Topologii de retea WiFi. Seturi de servicii

1.4. Standarde IEEE WLAN

802.11-1997 a fost primul standard de retea wireless, dar 802.11b a fost primul

acceptat la scara larga, urmat de 802.11g si 802.11n. Securitatea a fost intial in mod

intentionat un punct slab. A fost imbunatatita ulterior prin amendamentul 802.11i, dupa

schimbari legislative. 802.11n foloseste o tehnica nou multi-flux de modulatrie. Alte

standarde din familie (c-f, h, j) sunt amendamente la servicii si extensii sau corectii ale

specificatiilor anterioare.

802.11b si 802.11g folosesc spectrul de 2.4 GHz (banda ISM). Din cauza

functionarii in aceasta banda, aceste echipamentele 802.11b si 802.11g pot suferi

ocazional interferente cu alte echipamente operand in aceeasi banda (cuptoare cu

microunde, telefoane cordless, dispozitive bluetooth). Atat 802.11 cat si Bluetooth

controleaza aceste interferente utilizand modulatia cu spectru imprastiat. Bluetooth

foloseste o metoda de semnalizare de tip salt de frecventa cu spectru imprastiat, in timp

ce 802.11b si 802.11g folosesc modulatia cu secventa directa cu spectru imprastiat,

respectiv multiplexarea cu diviziune ortogonala in frecventa. 802.11a foloseste banda de

5 GHZ, care, in cea mai mare parte a lumii, ofera 19 canale ne-suprapuse fata de cele 3

canale nesuprapuse oferite in banda 2.4 GHz.

Tehnologia Wi-Fi

5

Figura 2 Spectrul folosit de 802.11, cu împărțirea pe canale

Segmentul din spectrul frecventelor radio ocupat difera in functia de tara. In SUA

dispozitivele 802.11a si 802.11g pot opera fara licenta. Frecventele utlizate de canalele 1-

6 (802.11b) sunt incluse in banda radio pentru amatori 2.4GHz.

Tabelul de mai jos prezinta caracristicile standardelor 802.11 folosite in Wi-Fi:

Protocol Release

Date

Op.

Frequency

Throughput

(Typ)

Data Rate

(Max)

Modulation

Technique

Range

(Radius

Indoor)

Range (Radius

Outdoor)

Legacy 1997 2.4 GHz 0.9 Mbit/s 2 Mbit/s ~20 Meters ~100 Meters

802.11a 1999 5 GHz 23 Mbit/s 54 Mbit/s OFDM ~35 Meters ~120 Meters

802.11b 1999 2.4 GHz 4.3 Mbit/s 11 Mbit/s DSSS ~38 Meters ~140 Meters

802.11g 2003 2.4 GHz 19 Mbit/s 54 Mbit/s OFDM ~38 Meters ~140 Meters

802.11n June 2009

2.4 GHz

5 GHz 74 Mbit/s 248 Mbit/s ~70 Meters ~250 Meters

802.11y June 2008 3.7 GHz 23 Mbit/s 54 Mbit/s ~50 Meters ~5000 Meters

Tabelul 3. Versiunile tehnologiei 802.11

OFDM - Orthogonal frequency-division multiplexing

DSSS - Direct-Sequence Spread Spectrum

Dezvoltarea noului standard 802.11n este bazata pe MIMO (multiple input,

multiple output). MIMO este o inovatie semnificativa si o tehnologie ce a fost adaptata

pentru a putea functiona si pentru alte cateva standarde wireless in fara de 802.11, ca de

exemplu standardul 4G. MIMO foloseste o tehnica numita Multiplexare Spatiala pentru a

transporta doua sau mai multe streamuri de date simultat pe acelasi canal de frecventa.

Multiplexarea spatiala sta la baza standardului 802.11n si are potentialul de a dubla

capacitatea canalului cand doua streamuri de date sunt trimise. Generand streamuri

Tehnologia Wi-Fi

6

spatiale multiple este nevoie de transmitatoare si receptoare multiple si de cai distincte,

necorelate pentru fiecare stream ce se trimite prin mediu. Caile multiple se pot obtine

folosind antene polarizate sau cai multiple in canal.

In timp ce retelele mai vechi opereaza pe canale de 20 MHz, 802.11n defineste

utilitatea canalelor pe 20 si 40 MHz cu pana la 4 streamuri spatiale pe canal.

2. Desfasurarea lucrarii

In aceasta lucrare se evaluaeza performantele retelelor WLAN in conditiile de co-existentei

mai multor tehnologii wireless.

2.1. Configurarea echipamentelor

Se vor folosi doua routere Wireless D-Link pentru a oferi conectivitatea wireless

ca in figura de mai jos:

Figura 3. Topologia rețelelor pentru măsurători

Primul pas după alimentarea celor două routere (R1, R2) este de a le reseta la

configurația de fabrică prin apăsarea butonului de Reset cu vârful unui pix timp de 10

secunde, până când toate ledurile se aprind pe panoul frontal.

Apoi se conecteaza prin cablu de rețea cate un calculator (PC1&PC3) la routerele

wireless pe unul din porturile de LAN. Deoarece implicit ruterele au serverul DHCP pornit,

precum şi adresa interfeţei locale (LAN) setată la o valoare prestabilită de fabricant, toate

PC-urile vor avea pornit clientul de DHCP (nu vor avea setată static adresa IP).

Se deschide un browser web si se acceseaza routerul la adresa default inscrisa pe

spatele routerului (192.168.0.1). Se realizeaza configurarile de baza ale routerelor conform

tabelului 4:

Parametru R1 R2

Internet Internet Connection

Type Dynamic IP (DHCP) Dynamic IP (DHCP)

Tehnologia Wi-Fi

7

Host Name R1 R2

Wireless

Settings

Wireless Network

Name Retea1 Retea2

Wireless Channel 1 3

Security Mode WPA-Personal WPA-Personal

Network

Settings

Router IP Address 192.168.10.1 192.168.20.1

Subnet Mask 255.255.255.0 255.255.255.0

Enable DHCP

Server

DHCP IP Address

Range

192.168.10.2 to

192.168.10.100

192.168.20.2 to

192.168.20.100

Tabelul 4 Configurarea routerelor

Obs. Pentru resetarea routerului la configuratia originala se apasa butonul de

Reset din spatele routerului.

Se selecteaza Manual Configuration:

După modificarea unei configuraţii la valoarea dorită se salvează setările.

Tehnologia Wi-Fi

8

Configurarea interfetei de INTERNET (WAN):

Se configureaza interfata de Internet pentru obtinerea automata a adresei IP de la

serverul DHCP.

Wireless Settings:

Bifati casuta Enable Wireless pentru a activa functia wireless.

In casuta Wireless Network Name scrieti SSID-ul retelei (numele care identifica

reteaua): pentru routerul 1 – Retea1, pentru routerul 2 – Retea2.

Wireless Channel indica numarul canalului folosit. Default este 6. Acesta va fi setat

conform indicatiilor ulterioare pentru fiecare scenariu studiat.

Setarile de securitate se fac conform figurii de mai jos. Pre-Shared Key este

introdusa ca fraza de trecere in format ASCII la ambele capete ale conexiunii wireless.

Tehnologia Wi-Fi

9

Tehnologia Wi-Fi

10

Network Settings:

Dupa schimbarea adresei IP si salvarea configuratiei, va trebui sa introduceti noua

adresa IP in browser pentru a reveni la utilitarul de configurare.

Se bifeaza casuta Enable DHCP Server pentru ca routerul sa functioneze ca server

DHCP pentru reteaua locala direct conectata la el. Se indica range-ul din care serverul

ofera adrese IP host-urilor.

Tehnologia Wi-Fi

11

2.2 Măsurătorile si interpretarea rezultatelor

Dupa crearea topologiei de retea trebuie sa se genereze si sa se captureze trafic

pentru masurarea performantelor. In acest scop s-a folosit tool-ul IPERF in mediul

Windows XP. Iperf este un software special conceput pentru crearea su capturarea

traficului TCP Si UDP.

Pentru a evalua performantele retelei, se utilizeaz parametrul throughput, care este

o metrica a ratei ce se poate obtine, utilizabila pentru ambele tipuri de trafic (TCP, UDP)

Iperf este un program gratuit de generare şi monitorizare a traficului din reţele IP,

care poate fi obţinut de la adresa WEB http://code.google.com/p/xjperf/ (varianta cu

interfaţă grafică realizată în Java). El poate fi utilizat pentru a genera şi măsura traficul de

date prin reţeaua IP (TCP/UDP) pentru a evalua performanţele legăturii. Programul Iperf

are o componentă server şi alta client.

Programul jperf este doar o interfaţă grafică, mai prietenoasă, pentru iperf , care

permite şi afişarea unu grafic de performanţe online. Acesta este programul care se va

folosi in cadrul laboratorului.

SCENARIUL 1

In scenariul 1 se studiaza interferenta intre retele wireless 802.11 coexistente care

opereaza in canale adiacente suprapuse.

Pentru aceasta se configureaza reteaua wireless a router-ului R1 pe canalul 1 iar

reteaua wireless a R2 pe canalul 3.

Acest scenariu este ilustrat grafic in Figura 8.

Figura 8 Cazul 1 – Interferenta in retele wireless functionand pe canale suprapuse.

Interferentele apar in primele 30 sec

Dupa cum se poate vedea din aceasta figura, jumatate din banda celor doua canale

802.11 (canalele 1 si 3) se suprapune.

Se porneste aplicatia Iperf pe toate cele 4 statii.

In fiecare din cele doua retele pe una din statii (PC1, respectiv PC3) se

configureaza Iperf ca server, iar pe celelalte aplicatia va rula ca si client.

Tehnologia Wi-Fi

12

Figura 9 Setarea Iperf client/server

Pe statiile PC1 si PC3 aplicatia Iperf va rula ca server. In acest scop, se seteteaza

optiune “server”, porturile pe care se vor realiza conexiunile cu clientii, precum si

numarul de conexiuni. In aceasta lucrare se foloseste o singura conexiune (un singur

client pentru fiecare server, PC2 respectiv PC4).

Pe statiile PC2 si PC4 aplicatia Iperf va rula ca client. In acest scop se setetaza IP-

ul PC1 (server), din gama 192.168.10. , pe statia PC2 (client) si IP-ul PC3 (server), din

gama 192.168.20. , pe statia PC4 (client). Se alege o durată de transmisie de minim 30 de

secunde (Transmit: 30 seconds).

Conexiunea intre cei doi clienti si cele doua servere se va realiza utilizand

protocolul de transport TCP. In acest scop in fereastra Transport Layer Options se

selecteaza TCP, restul setarilor ramanand cele default.

In reteaua 1, între cele doua statii conectate la R1 se face trafic timp de 60

secunde. In primele 30 secunde, in cealalta retea wireless, R2, se produce deasemenea

trafic între cele doua statii conectate la R2 (statia PC3 si statia PC4).

Tehnologia Wi-Fi

13

Figura 10 Setari client Iperf

Figura 11 Cazul 1 – Throughput-ul TCP. Degradarea performantelor in timpul

coexistentei celor doua transferuri (0-30 sec) este evidenta

In graficul din figura 4 se observa dublarea ratei in lipsa interferenteleor cu

canalul adiacent.

Valorile masurate se vor nota intr-un tabel de forma:

Scenariul Canal retea 1 Canal retea 2 Rata initiala Rata finala

1 1 3

2 1 6

3 1 1

4 6 -

Tabelul 5 Valorile obținute prin măsurători

Tehnologia Wi-Fi

14

SCENARIUL 2

In acest scenariu se studiaza interferenta intre retele wireless 802.11 coexistente

care opereaza in canale adiacente nesuprapuse. Scenariul este ilustrat grafic in Figura 12.

Figura 12 Cazul 2 – Interferenta in retele wireless functionand pe canale nesuprapuse.

Pe router-ul R1 se configureaza canalul 1 in setarile wireless, iar pe router-ul R2

se configureaza canalul 6. Restul setarilor sunt identice cu cele din scenariul 1.

Setarile din aplicatia iperf sunt de asemenea aceleasi.

Figura 13 Cazul 2 – Throughput-ul TCP

SCENARIUL 3

In acest scenariu se studiaza interferenta intre retele wireless 802.11 coexistente

care opereaza in acelasi canal. Pe router-ul R1 se configureaza canalul 1 in setarile

wireless, iar pe router-ul R2 se configureaza tot canalul 1. Restul setarilor sunt identice cu

cele din scenariul 1.

Tehnologia Wi-Fi

15

Setarile din aplicatia iperf sunt de asemenea aceleasi. In reteaua 1, între cele doua

statii conectate la R1 se efectuează trafic timp de 60 secunde. In primele 30 secunde, in

cealalta retea wireless, între cele doua statii conectate la R2 (statia PC3 si statia PC4) se

produce trafic. Cum se influenteaza cele doua transferuri? Cum sunt vitezele de transfer

fata de scenariile anterioare?

SCENARIUL 4

In acest scenariu transmisia in reteaua 802.11 interfereaza pentru 30 secunde cu o

transmisie Bluetooth. Acest scenariu este prezentat grafic in Figura 14.

Pentru acest scenariu, se utilizeaza doar reteaua 1. Pe router-ul R1 se configureaza

canalul 6 in setarile wireless. Dupa 30 secunde de transmisie in reteau wireless se

porneste o sesiune Bluetooth cu o durata de 30 secunde. Pentru aceasta sesiune se pot

folosi fie doua telefoane mobile cu tehnologie bluetooth, fie doua laptop-uri, care trebuie

sa opereze la mai putin de un metru de access-pointul R1.

Dupa 30 de secunde de coexistenta a celor doua transferuri, se mai masoara

pentru inca 30 secunde reteaua wireless 802.11 (in lipsa transferului bluetooth).

Figura 14 Cazul 4 – Interferenta 802.11 – BlueTooth.

Interferentele apar de la t=30 sec pana la t=60 sec

Figura 15 Cazul 4 – Throughput-ul TCP. Degradarea performantelor in timpul

coexistentei celor doua transferuri (30 – 60sec) este evidenta

Tehnologia Wi-Fi

16

3. Intrebari pregatitoare

1. Explicati trei diferente intre versiunile b si g ale standardului 802.11.

2. Desenati si explicati pe scurt functionarea unei retele 802.11 cu topologia Ad-hoc.

3. Ce semnaleaza campul de Reincercare din antetul unui cadru 802.11?